香港城市大学和广东省新材料研究所：表面机械纳米化（SMAT）关于提高SLM 3D打印钛合金疲劳强度的研究

【背景介绍】

激光3D打印技术可用于生产具有复杂几何结构和高精度的净成型金属构件，钛合金3D打印技术在医疗器械、航空航天、汽车工业等领域都有着广泛的应用，如骨科植入物、飞机结构件、发动机元件等。由于激光3D打印制造过程的特殊性，非平衡状态下形成的马氏体组织与普通工艺状态（如铸件和锻件）存在较大的差异。另外，残余应力和粗糙表面使得3D打印钛合金的疲劳性能不如传统方法制造的同类产品，这限制了其在高周期循环载荷服役条件下的应用，特别是难以达到植入体对疲劳性能的要求。

抛光和真空热处理能够改善3D打印钛合金疲劳性能，但疲劳强度仍处于铸件状态。目前，提高3D打印钛合金疲劳强度的最可靠办法是热等静压（HIP）处理。HIP处理后可以显著降低其缺陷和孔隙，因此抗疲劳性相对原始状态能得到提高，但仍然低于锻件的疲劳强度。因此，需要一种能够不破坏表面状态并能处理轻量化结构的后处理方法来提高3D打印钛合金疲劳强度。

【成果简介】

近日，香港城市大学吕坚教授和广东省新材料研究所刘敏教授（共同通讯）及法国贝尔福-蒙贝利亚科技大学Hanlin LIAO教授等人题为“Fatigue strength improvement of selective laser melted Ti6Al4V using ultrasonic surface mechanical attrition”的文章发表在材料科学类知名期刊，Materials Research Letters，IF 6.16。其研究了激光3D打印钛合金进行表面机械纳米化（SAMT）处理后的疲劳性能，经过SMAT处理后，3D打印钛合金的疲劳强度可有效提高至锻件水平，为解决3D打印钛合金在医疗、航天和军工等领域应用中面临的疲劳强度的挑战提供了可借鉴的创新方案。

【实验证明】

3D打印钛合金经SMAT处理后，在其表面形成了由纳米晶晶粒层、亚晶粒层和细、粗晶粒共存层组成的梯度纳米结构。首先，随机分布的多晶结构降低了纳米层中的应力集中。其次，高硬度的表层增加了疲劳裂纹源萌生的阻力，这在一定程度上也有助于裂纹在材料内部粗大晶粒处萌生的可能性。最后，平行于表面的残余压应力也有助于防止裂纹源在纳米层中萌生。这三个因素共同限制了疲劳裂纹的萌生，提高了3D打印钛合金的疲劳强度。与其他表面处理技术相比，SMAT处理后样品表面展现出良好的表面质量，也表现出优异的疲劳性能，并且此方法适用于处理具有复杂结构的零件。总之，SMAT是提高3D打印钛合金疲劳强度的一种极具应用前景的表面处理工艺。

【图文导读】

图一，3D打印钛合金的制备、后处理及表面状态。

图二，3D打印Ti6Al4V原始态与热等静压处理后的相与微观组织。

图三，SMAT处理后3D打印Ti6Al4V表面梯度纳米结构。

图四，SMAT处理后3D打印钛合金S-N曲线及疲劳断口。

总之，这项研究展示了SMAT制备的表面梯度纳米结构的重要性，为3D打印钛合金植入物在医疗行业的应用带来了新的探索和借鉴。

文献链接：https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1609110

作者介绍：

吕坚教授现任香港城市大学（研究及科技）副校长及研究生院院长，机械工程学院讲座教授，先进结构材料研究中心主任，香港工程科学院院士，法国国家技术科学院士。2006年及2017年曾两次获得由法国总统亲自任命的“法国政府颁授法国国家荣誉骑士勋章”及“法国国家荣誉军团骑士勋章”，2018年获得“中国工程界最高奖”第十二届光华工程科技奖。吕坚教授的研究方向涉及先进纳米结构材料的制备和力学性能，实验力学，材料表面工程和仿真模拟，生物与仿生材料力学，航空航天材料与结构预应力工程，3D打印先进材料与产品集成设计等。

刘敏教授现任广东省科学院副院长，现代材料表面工程技术国家工程实验室主任，中国材料研究学会常务理事，广东省新材料研究学会常务副理事长，中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国腐蚀学会高温腐蚀与防护专业委员会分会副主任，先后主持和参加973、863、国际合作、军工配套等项目30多项，多项技术已经应用于航空、钢铁、包装印刷和能源等国民经济部门。入选“新世纪国家百千万人才工程”，享受国务院政府特殊津贴，获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖4项、省部级二等奖5项。刘敏教授的研究方向涉及先进高温功能涂层开发及产业化应用，新型3D打印生物医疗植入物研究与产品开发，固体氧化物燃料电池开发及产业化应用等。

本文由作者团队供稿。

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